vis IT Fraunhofer IOSB Essay Die Zukunft der Mobilität Netzintegration von Elektrofahrzeugen Open Research and Operation Prototype - OROP

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1 Fraunhofer IOSB [ emobilität ] Essay Die Zukunft der Mobilität Netzintegration von Elektrofahrzeugen Open Research and Operation Prototype - OROP Regional Eco Mobility 2030 smobility - Smart Mobility in Thüringen Optimales Elektromobilitätsmanagement ISSN

2 Impressum inhalt Herausgeber Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer Essay Redaktion Sibylle Wirth Layout und graphische Bearbeitung Christine Spalek Seite 4 Die Zukunft der Mobilität Peter Phleps Druck E&B engelhardt und bauer Karlsruhe Themen Anschrift der Redaktion Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Seite 6 Netzintegration von Elektrofahrzeugen Michael Agsten, Daniel Beyer Fraunhoferstr Karlsruhe Telefon Fax presse@iosb.fraunhofer.de Seite 8 Open Research and Operation Prototype - OROP Michael Agsten, Daniel Beyer Fraunhofer IOSB Karlsruhe 2015 Seite 10 Regional Eco Mobility 2030 Dieter Willersinn ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. München Seite 12 smobility - Smart Mobility in Thüringen Oliver Warweg, Alexander Arnoldt 16. Jahrgang ISSN Bildquellen Infothek Titel, Seite 8, 11: MEV Seite 3: indigo Werbefotografie Manfred Zentsch Seite 14 Optimales Elektromobilitätsmanagement Florian Pethig, Carolin Schönknecht Alle anderen Abbildungen: Fraunhofer IOSB Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit der Redaktion. Belegexemplare werden erbeten. emobilität 2

3 Liebe Freunde des IOSB, Editorial Die frische Milch zum englischen Frühstück kommt seit dem späten 19. Jahrhundert standesgemäß per Milk Float vor die Haustür, einem Elektroauto mit offener Ladefläche (float = Floß), einer Höchstgeschwindigkeit von ca. 25 km/h und einer Reichweite von typisch 60 km aus Bleibatterien. Es leistet seinen Service zur frühen Morgenstunde fast lautlos abgesehen vom Klappern der Milchflaschen und ohne lokalen Ausstoß von Abgasen. So neu ist Elektromobilität also gar nicht! Sie gewinnt derzeit wegen ihrer systemischen Eigenschaften und wegen der heute verfügbaren Antriebs- und Speichertechnologien eine neue Dimension, zunächst im PKW als Alternative zu den Verbrennungsantrieben; davon handelt das vorliegende visit. Die wichtigste systemische Eigenschaft automobiler Elektroantriebe ist ihre Fähigkeit zur Energierückgewinnung beim Abbremsen bzw. im Schub-Betrieb: Eine elektrische Maschine kann sowohl als Motor wie auch als Generator arbeiten, also ein Fahrzeug beschleunigen, aber auch Bremsenergie in elektrische Energie umwandeln, um sie im lokalen Akku zu speichern. Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer Die elektrischen Bahnen nutzen dieses von Werner von Siemens gefundene dynamoelektrische Prinzip, indem sie Brems- oder Schubenergie in das Oberleitungsnetz einspeisen und damit anderen Zügen zur Verfügung stellen deckte die Deutsche Bahn acht Prozent ihres gesamten Strombedarfs für den Eisenbahnbetrieb durch rückgespeiste Bremsenergie, mehr als 800 Gigawattstunden! Ein Elektro-PKW muss hingegen seine Energie an Bord speichern; und in der Speichertechnologie, deren Kosten sowie in der Lade-Infrastruktur liegt derzeit die Herausforderung. Immerhin sind bereits Speicherbatterien hoher Energiedichte mit Schnellladefähigkeit verfügbar: Serienreife Elektrofahrzeuge mit einer Ladedauer von ca. 40 Minuten für 80 Prozent-Ladung bei einer Reichweite von bis ca. 400 km. Die dazu notwendige Leistung der Ladesäule von mehr als 100 KW ist eine Herausforderung an die Energie-Verteilungsnetze. Hier tut sich für die Normung und für die Regulierung ein weites Feld auf. Technologie-»Forerunner«, Politik, OEMs, Energieversorger und Forscher müssen gemeinsam die Vorteile des Systems»Elektromobilität«auf die Straße bringen, als Antwort auf drängende ökologische und ökonomische Fragen wie die Milk Floats des 19. Jahrhunderts! Karlsruhe, im Januar 2015 ehem. Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer Prof. Dr. Hartwig Steusloff 3 emobilität

4 Essay Die Zukunft der Mobilität Integration von Technologien in die ifmo Mobilitätsszenarien SZENARIEN AM INSTITUT FÜR MOBILITÄTSFORSCHUNG Das Institut für Mobilitätsforschung 1 hat erneut gemeinsam mit Experten unterschiedlichster Fachbereiche einen Blick in die Zukunft gewagt. Ziel war es nicht, die Zukunft vorherzusagen. Vielmehr sollten Experten auf verschiedene Deskriptoren 2 schauen und nach Diskussion einschätzen, wie sich diese ihrer Meinung nach bis zum Jahr 2035 verändern könnten und welchen Einfluss diese Veränderungen wiederum auf die Mobilität in 2035 haben könnten. Spannend ist die Vielzahl der möglichen Szenarien, die entstehen, wenn unterschiedliche Projektionen für Deskriptoren in verschiedenen Variationen miteinander kombiniert werden. Dr.-Ing. Peter Phleps Wissenschaftlicher Referent Institut für Mobilitätsforschung ifmo Eine Forschungseinrichtung der BMW Group Telefon peter.phleps@ifmo.de 1 Das Institut für Mobilitätsforschung (ifmo) ist eine Forschungseinrichtung der BMW Group. Es beschäftigt sich verkehrsträgerübergreifend, interdisziplinär und mit internationaler Perspektive mit Mobilität im weitesten Sinne. Online unter 2 Deskriptoren (auch Einflussfaktoren genannt) beschreiben den Untersuchungsgegenstand und seine Entwicklung. Deskriptoren werden nach Einflussbereichen strukturiert und aus Komplexitätsgründen auf die für die Fragestellung der Szenariostudie relevantesten reduziert. emobilität 4

5 ELEKTROMOBILITÄT AUTONOMES FAHREN VERNETZTE MOBILITÄT Strom-Antriebe Elektrische Energiespeicher Ladeinfrastruktur E-Mobilität Leichtbau Automatisiertes Fahren Sicherheitsassistenten Vernetztes Fahren Vernetzte Mobilität Soziale Medien Big Data Vollautomatisierte Parkierungsanlagen Tabelle: Systemtechnologien für die Mobilität der Zukunft. METHODISCHES VORGEHEN ZUSAMMENFASSUNG Es wurden Workshops zu den einzelnen Bereichen Demografie, Wirtschaft, Energie, Verkehrspolitik und Einstellungen organisiert, zu denen Experten aus Wissenschaft und Industrie eingeladen wurden. Sie diskutierten gemeinsam mögliche Entwicklungen der einzelnen Deskriptoren und legten pro Deskriptor ein bis drei Zukunftsprojektionen sowie plausible Begründungen für die jeweiligen Projektionen fest. Schnell war klar, dass dem Bereich Technologie aufgrund seiner vielen und zum Teil bereichsübergreifenden Deskriptoren eine Sonderrolle zukommt. Entsprechend wurde für diesen Teil kein Expertenworkshop im klassischen Sinn organisiert. Für diesen Einflussbereich haben die Fraunhofer-Institute für System- und Innovationsforschung (ISI), für Materialfluss und Logistik (IML) sowie für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) Mini-Roadmaps zu 20 ausgewählten Technologie- Deskriptoren erstellt. Diese wurden den drei Kategorien Informationsund Kommunikationstechnologien, Fahrzeugtechnologien und Infrastrukturtechnologien zugeordnet. In den Mini- Roadmaps wurde jede Technologie detailliert beschrieben und die künftige Entwicklung verortet. Ebenso wurden der Einfluss auf Mobilität bewertet und kausale Verknüpfungen mit den restlichen fünf Einflussbereichen festgehalten. Die Szenario-Entwicklung erfolgte mit Hilfe von Konsistenzlogik [1] und dem Einsatz einer Software, die es ermöglicht, Rohszenarien - bestehend aus ausschließlich konsistenten Projektionspaaren - zu berechnen und zu clustern. Technologien fanden erst nach der Rohszenario-Erstellung Einzug in die Szenarien. Nach Erstellung der Mini-Roadmaps wurden in einem Workshop der beteiligten Fraunhofer- Institute jeweils mehrere der untersuchten Technologien zu Systemtechnologien zusammengefasst, um diese anschließend einfacher in die Szenarien integrieren zu können (siehe Tabelle). Mit Hilfe der in den Roadmaps beschriebenen kausalen Verknüpfungen zu den anderen Einflussbereichen konnten letztlich für die drei Systemtechnologien Projektionen abgeleitet und in die Rohszenarien eingeflochten werden. Der Entwurf von Szenarien bietet eine strukturierte Methode, viele Wege zu erforschen, wie sich verschiedene Deskriptoren künftig entwickeln und welchen Einfluss sie in unterschiedlicher Kombination auf die Mobilität der Zukunft haben könnten. Szenarien zu erstellen, ist ein komplexer, systematischer Prozess, der einem Plausibilitätsund Konsistenzcheck standhält, keine Spinnerei. Mit Hilfe der Fraunhofer Institute ISI, IML und IOSB haben wir es geschafft, Technologien für die Mobilität der Zukunft systematisch einzuflechten. Das Ergebnis werden wir im März 2015 veröffentlichen [2]. Referenzen: [1] Gausemeier, J.; Fink, A.; Schlake, O. (1995): Szenario-Management. Planen und Führen mit Szenarien; München: Hanser [2] Phleps, P.; Feige, I.; Zapp, K.: Die Mobilität der Zukunft. Szenarien für Deutschland in Institut für Mobilitätsforschung. Veröffentlichung geplant im März emobilität

6 Themen Netzintegration von Elektrofahrzeugen Dipl.-Ing. Daniel Beyer Energie NRG Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon Dr.-Ing. Michael Agsten Energie NRG Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon Abb. 1: Anwendungsfall 1»Verteiltes Laden in Einfamilienhaussiedlungen«. MOTIVATION Einen Beitrag zur Energiewende und Minderung der CO 2 -Emissionen leisten Plug-In-fähige Elektrofahrzeuge (Hybrid und vollelektrische Fahrzeuge) durch Substitution von Diesel und Benzin durch Elektrizität, insbesondere aus Erneuerbaren Energien. Die Konzepte verfügbarer Fahrzeuge reichen von rein elektrischen Fahrzeugen mit Reichweiten zwischen 160 km (bspw. BMWi3 oder Renault Zeo) bis 500 km (Tesla Model S) bis hin zu Hybridfahrzeugen mit der Fähigkeit zu Hause und unterwegs nachzuladen (bspw. BMWi8). Dabei können Hybridfahrzeuge bis zu 50 km rein elektrisch fahren. Der Anschluss an das elektrische Netz und das Nachladen am Markt verfügbarer Fahrzeuge erfolgt derzeit ausschließlich konduktiv. Verfügbar sind das AC-Laden mit max. 4,6 kva/20 A einphasig bzw. max. 44 kva/64 A dreiphasig oder das DC-Laden mit höheren Ladeleistungen. Die häufigsten Anwendungsfälle in städtischen und ländlichen Räumen wird die Ladung zu Hause sein. Ergänzt werden diese Lademöglichkeiten durch öffentliche und semi-öffentliche Ladepunkte. Kritische Betrachtung der NETZINTEGRATION von Elektrofahrzeugen im Anwendungsfall»Laden zu Hause«In Siedlungsstrukturen mit vielen Einfamilienhäusern können mehrere Fahrzeuge verteilt in einem Ortsnetz auftreten (siehe Abbildung 1). In städtischen Bereichen ist es sehr wahrscheinlich, dass mehrere Ladepunkte in Tiefgaragen oder auf Sammelparkplätzen angeboten werden (siehe Abbildung 2). Die Realisierung des Anschlussbegehrens und die Installation einer Ladebox sind von mehreren Faktoren abhängig. Zum einen ist eine Anschlussleistung je Ladepunkt zu definieren. Diese beträgt im Allgemeinen in Deutschland zwischen 4,6 kva 1ph, 11kVA 3ph und 22 kva 3ph. Bei fehlender expliziter Zuordnung von Fahrzeug und Ladepunkt werden diese 3ph ausgeführt, um sicherzustellen, dass alle Fahrzeuge an diesem Ladepunkt auch zukünftig emobilität 6

7 laden können. Zum anderen ist der geografische Standort eines Ladepunktes relevant. Die typischen max. Ausdehnungen von Niederspannungsabgängen in Deutschland können gerade in ländlichen Netzen deutlich den Wert von 400 m überschreiten. In urbanen Gebieten werden selten Längen von mehr als 300 m erreicht. Je weiter entfernt ein Ladepunkt zum Ortsnetztransformator ist, umso gravierender ist der Einfluss des Ladens auf das Spannungsprofil (vgl. DIN EN 50160). Je mehr Fahrzeuge gleichzeitig laden umso stärker ist der Einfluss auf die thermische Belastung der Betriebsmittel. Äußerst kritisch ist das einphasige Laden von Elektrofahrzeugen. Hier entstehen mehrere Effekte, die Normen und Grenzwerte verletzen können. Die in der DIN EN50160 definierte max. Unsymmetrie der drei Phasen beträgt 2 Prozent und muss zu 95 Prozent der gemessenen Effektivwerte (10 min Intervall) innerhalb einer Woche eingehalten werden. Die dadurch entstehende zusätzliche Belastung des Neutralleiters aufgrund unsymmetrischer Belastungen gilt es zu begrenzen. Unter anderem existieren aus diesem Grund für einphasige Einspeiser / Erzeuger und öffentliche Ladepunkte Grenzwerte für die max. Scheinleistung von 4,6 kva/20 A je Phase und Netzanschluss. Im Falle von Einspeisern definiert die VDE Anwendungsrichtlinie VDE-AR-N 4105, dass bei geeigneter Phasenwahl drei Einspeiser zu je 4,6 kva Nennleistung im Netzparallelbetrieb je Netzanschluss installiert werden dürfen. Übersteigt die Summenscheinleistung 13,8 kva, so ist ausnahmslos dreiphasig anzuschließen. Folglich werden die gleichen Abb. 2: Anwendungsfall 2»Konzentriertes Laden im Netzparallelbetrieb«. Anforderungen für den Netzparallelbetrieb von Elektrofahrzeugen entstehen bzw. werden sie bereits in den Projekten, an denen das Fraunhofer IOSB-AST beteiligt ist, ausgiebig berücksichtigt. Ein Lösungsansatz zum kostenminimalen und netzfreundlichen Verhalten einer Flotte von Elektrofahrzeugen ist das Lokale Last- und Einspeisemanagement (LLEM). Das Verfahren koordiniert mehrere Ladepunkte, so dass unterschiedliche Fahrzeugtypen gleichzeitig geladen werden können, ohne dass die max. Unsymmetrie von 4,6 kva überschritten wird. Weiterhin wird das LLEM zukünftig die lokale Spannung überwachen können und zusätzlich stationäre Speicher und Einspeiser in die Koordination integrieren. Ein weiteres Verfahren das Öffentliche Last- und Einspeisemanagement (ÖLEM) erweitert die Funktionalität der Koordinierung über einen ganzen Ortsnetzbereich und berücksichtigt damit zusätzlich die thermischen Belastungsgrenzen der Betriebsmittel. Eine Zielstellung des ÖLEM ist es, die Last durch Elektrofahrzeuge so zu vergleichmäßigen, dass Netzausbaumaßnahmen vermieden werden können. Fazit Neben den bekannten Problemstellungen durch Erneuerbare Energien in Verteilernetzen, insbesondere auf der Niederspannungsebene, werden bei sich durchsetzender Elektromobilität Last-dominierte Problemstellungen zu lösen sein. Die systematische Analyse des Fraunhofer IOSB-AST zeigt, dass in den nächsten Jahren wesentliche Schritte in der angewandten Forschung gegangen werden müssen, um die zusätzliche Last von Plug-In-Hybriden und Elektrofahrzeugen sinnvoll zu managen und in die Verteilernetze effizient zu integrieren. Literatur: [1] Agsten, M.: Einfluss gesteuerten Ladens von Elektrofahrzeugen bei volatiler Windeinspeisung. Ilmenau: Universitätsbibliothek Ilmenau, 2011 [2] Weigand, M.; Bohn, S.; Beyer, D.; Agsten, M.:»Integration of Electric Vehicle Charging into an International and Environment-friendly Context«, Apr [3] Agsten, M.:»Integration einphasig ladender Elektrofahrzeuge in Verteilernetze«, in VDE Symposium»Netzleit-, Zähler- & Informationstechnik«, emobilität

8 Themen Open Research and Operation Dipl.-Ing. Daniel Beyer Energie NRG Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon MOTIVATION Dr.-Ing. Michael Agsten Energie NRG Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon Die Fragestellung der Netzkapazität von Verteilernetzen für dezentrale Erzeuger, dezentrale Speicher und neuartige Lasten, wie Elektrofahrzeuge, ist verknüpft mit den verfügbaren Methoden der Systemanalyse. Am Beispiel der Netzintegration von Elektrofahrzeugen ist bereits erklärt worden, dass die Ladetechnologie (1ph oder 3ph), der Ladeort, die Ladezeit und damit verbunden das gleichzeitige Laden sowohl für dicht beieinander installierte Ladepunkte (Tiefgaragen, Parkplätze) als auch bei dezentral installierten Ladepunkten (bspw. Siedlungen von Einfamilienhäusern) zu kritischen Netzsituationen führen können. Jedoch ist es äußerst schwierig, mit einem Netzberechnungsprogramm klassischer Art alle möglichen Situationen manuell abzubilden und eine Schätzung der Netzkapazität für Elektrofahrzeuge abzuleiten. Das Fraunhofer IOSB-AST erarbeitet Lösungsvorschläge für Netzbetreiber, um automatisiert mit unterschiedlichen Netzausbauzuständen, Betriebsmitteln und Betriebsführungsstrategien unkritische und kritische Kennzahlen hinsichtlich der Netzkapazität zu ermitteln. Vorstellung des Open Research and OPERATION Prototype - OROP Ausgangspunkt für die Entwicklung von OROP ist die Einschätzung einer zunehmenden und unüberschaubaren Entwicklung von Lasten und Einspeisung in Verteilernetzen über die nächsten 10 bis 20 Jahre. Um eine geeignete Strategie für die Netzentwicklung eines Verteilernetzes in diesem Zeithorizont zu entwickeln, ist es notwendig, Kennzahlen für Ortsnetz-typische Merkmale aus dem Ist-Stand abzuleiten. emobilität 8

9 Prototype - OROP Elektrofahrzeuge selber stehen dabei aktuell im Fokus der Forschung des Fraunhofer IOSB-AST. In einem typischen Ortsnetz mit Siedlungsbebauung ist nicht vorhersagbar, an welchen geographischen Punkten ein Ladepunkt für Elektrofahrzeuge installiert werden soll / kann bzw. zu welchen Zeitpunkten und Ladeleistungen ein Fahrzeug mit welcher Ladetechnologie (1ph oder 3ph) an diesem Ort laden wird. Zur Beantwortung dieser Frage wurde der Prototyp OROP entwickelt. Basierend auf dem Rechenkern OpenDSS (von EPRI), mit dem unsymmetrische Belastungssituationen schnell und effektiv berechnet werden können, ist eine Oberfläche zur Modellierung von Niederspannungsverteilernetzen und zur Modellierung von Analyseszenarien und Steuerung des Rechenkerns entworfen worden. Das Highlight des Prototyps ist die Verfügbarkeit eines Monte-Carlo-ähnlichen Ansatzes, mit dem sehr schnell die verfügbare Netzkapazität für homogene Elektrofahrzeugflotten ermittelt werden kann. In bereits bis Iterationen kann für ein bestimmtes Niederspannungsverteilernetz die Netzkapazität angenähert ermittelt werden. Im Ergebnis entsteht eine kumulative Verteilungsfunktion, aus der ablesbar ist, wie viele Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden können, ohne dass Grenzwertverletzungen (bezogen auf die im Verteilernetz gültigen Normen und Richtlinien) auftreten. Weiterhin wird die Anzahl an Fahrzeugen ermittelt, die definitiv zu Grenzwertverletzungen führen werden. Abb. 1: Benutzeroberfläche von OROP. Abb. 2: Ergebnisplot von OROP. Fazit und Ausblick Aufgrund der Verfügbarkeit des Werkzeuges OROP und der Umsetzung der MC-basierten Analyse, existiert am Fraunhofer IOSB-AST eine Methodik, die für netzplanerische Zwecke verfeinert und ausgebaut werden kann. Die Weiterentwicklung der Methodik sieht vor, heterogene Fahrzeugflotten, dezentrale Einspeiser und Speicher miteinander gemischt analysieren zu können. Literatur: [1] Weigand, M.; Bohn, S.; Beyer, D.; Agsten, M.:»Integration of Electric Vehicle Charging into an International and Environment-friendly Context«, in SAE World Congress 2014, 2014 [2] Agsten, M.:»Integration einphasig ladender Elektrofahrzeuge in Verteilernetze«, in VDE Symposium»Netzleit-, Zähler- & Informationstechnik «, 2014 [3] Electric Power Research Institute,»EPRI - Smart Grid Resource Center«, [Online]. Available: [Accessed: 26-Nov-2014] 9 emobilität

10 Themen regional eco Mobility 2030 Dr. Dieter Willersinn Videoauswertesysteme (VID) Fraunhofer IOSB Karlsruhe Telefon BESCHREIBUNG DES PROJEKTES Das IOSB ist beteiligt am Innovationscluster REM2030 (Regional Eco Mobility 2030). REM2030 ist eine Initiative der drei Karlsruher Fraunhofer-Institute ISI, IOSB und ICT sowie des Fraunhofer IWM in Freiburg. Im Verbund mit dem Partner Center of Automotive Research and Technology des Karlsruher Instituts für Technologie»KIT-CART«bietet das Projekt die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit der Karlsruher Forschungslandschaft und der Technologieregion Karlsruhe unter Beweis zu stellen. Ziel des Forschungsclusters ist die Vernetzung mit Industrieunternehmen zur Lösung von effizienter und ökologischer Mobilität von morgen. Im Mittelpunkt der Betrachtungen steht der Reisende mit seinen Bedürfnissen, gegliedert sind die Arbeiten in die Bereiche Fahrzeug, Infrastruktur und neue Geschäftsmodelle. Fahrzeug: weitestgehend emissionsfreies, energieeffizientes und bezahlbares Fahren im Alltagsbetrieb in regionalen Siedlungsstrukturen. An Nutzerbedürfnissen orientierte und modular aufgebaute Fahrzeugkonzepte hinsichtlich Aspekten wie Reichweite und Leistung. Hochentwickelte Fahrerassistenzsysteme für die Abdeckung von Nutzerbedürfnissen aller Anspruchsgruppen unter Einbezug der sich ändernden soziodemographischen Verhältnisse. Infrastruktur: Erhöhung der Wegstreckeneffizienz und Verkehrsflussoptimierung über Verkehrssteuerung durch Nutzung aller verfügbaren Informations- und Kommunikationsstruk- turen. Integration von Individualverkehr in andere Verkehrssysteme wie den öffentlichen Verkehr oder den Flugverkehr (Stichwort intermodale Verkehrssysteme). Optimierter Aufbau einer Beladungsinfrastruktur, die nicht nur Mobilitätsbedürfnissen gerecht wird, sondern auch den Anforderungen der Energieversorgung. Neue Geschäftsmodelle: Individuelle Mobilitätsberatung, neue Mobilitätsassistenz, Integration des Fahrzeugs in das stationäre Energienetz, Zweitnutzung von Antriebssystemen zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, neue Leasing- und Eigentümerkonzepte von Fahrzeugen. VERKNÜPFUNG MIT DER INDUSTRIE Im Kontext der Forschungsziele und Vernetzung mit der Industrie erfolgte die Durchführung eines Feldversuchs zum gesteuerten Laden von Elektrofahrzeugen als Industrieauftrag. Es wurden Beratungsdienstleistungen zur Netzintegration von Elektrofahrzeugen in internationalen Märkten für deutsche Automobilhersteller entwickelt und angewendet. Weiterhin erfolgte die Verknüpfung mit kleinen- und mittelständischen Unternehmen zur Erarbeitung von Ansätzen der Zusammenarbeit in Fragen des gesteuerten Ladens, Ladeinfrastrukturen und Energieversorgungskonzepten. Im Rahmen des Projekts V50 erforscht das IOSB gemeinsam mit der Firma Valeo Konzepte für das automatische Fahren im Innenstadtbereich mit bis zu 50 km/h. Dabei wird einerseits eine For- emobilität 10

11 schungstradition des IOSB fortgesetzt, die bis in die 1980er Jahre zurückreicht, andererseits liegt der Zeitpunkt für die Markteinführung der letzten Ausbaustufe in den Jahren 2025 bis 2035, je nach Optimismus der befragten Experten. Erste automatische Fahrfunktionen für eingeschränkte Szenarien wie Parkhäuser und Autobahnstaus werden allerdings noch innerhalb dieses Jahrzehnts erwartet. Am IOSB wurde im Rahmen von V50 das Konzept SPARC zur integrierten Situationsprädiktion und Manöverplanung entwickelt und gemeinsam mit Valeo zum Patent angemeldet [1]. Es geht in wesentlichen Punkten über bisher in der Literatur beschriebene Ansätze hinaus und führt insbesondere zu einer drastischen Vereinfachung der Software-Architektur: statt spezialisierter Automaten für einzelne Verkehrssituationen und Fahrmanöver setzt SPARC auf ein Verfahren, das in beliebigen Verkehrssituationen ein optimales Manöver durchführt. Die Optimierung bezieht dabei alle Kriterien ein, die auch der Mensch bei seinen Entscheidungen zugrunde legt wie beispielsweise Sicherheit, Verkehrsregeln, Komfort, Verbrauch und geplante Ankunftszeit. Ein weiterer Aspekt des automatischen Fahrens sind kooperative Fahrmanöver. Hier wurden im IOSB bereits vor geraumer Zeit grundlegende Erkenntnisse angearbeitet [2], die aktuell im Rahmen eines Industrieprojekts angewandt und vertieft werden. Im Bereich der Fahrerassistenz liegt ein besonderer Schwerpunkt von REM2030 naturgemäß auf dem Gebiet der Effizienzoptimierung [3]. Die Arbeiten adressieren einerseits die direkte Unterstützung des Fahrers bei der Fahraufgabe. Langfristig weit effektiver ist allerdings ein im IOSB entwickeltes Effizienztraining, welches sich insbesondere an Flottenbetreiber wendet, die ihre Fahrer im Hinblick auf eine ressourcenschonende Fahrweise schulen wollen. Dass auch in einem Bereich wie der Fahrzeugumfelderfassung, die bereits seit mehreren Jahrzehnten intensiv erforscht wird, grundsätzliche Neuerungen möglich sind, dafür ist das vom IOSB kürzlich zum Patent angemeldete Martinshorn-Warnsystem [4] ein gutes Beispiel. Es handelt sich dabei um ein Fahrerassistenzsystem, welches den Fahrer durch ein sichtbares Signal im Bereich der Armaturentafel auf ein herannahendes Einsatzfahrzeug mit Martinshorn aufmerksam macht und bei Bedarf auch das Autoradio stummschaltet, damit der Fahrer das Fahrzeug früher und besser hört. Literatur: [1] M. Ruf; J. Ziehn; B. Rosenhahn; J. Beyerer; D. Willersinn; H. Gotzig: Situation Predication and Reaction Control (SPARC). In: 9. Workshop Fahrerassistenzsysteme FAS2014, S , Walting, Deutschland, März 2014 [2] C. Frese: Planung kooperativer Fahrmanöver für kognitive Automobile. Dissertation, Karlsruher Schriften zur Anthropomatik, Bd. 10, KIT Scientific Publishing, 2012 [3] T. Guan; C. Frey: Predictive fuel efficiency optimization using traffic light timings and fuel consumption models. In: 16 th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems ITSC 2013, Den Haag, Niederlande, Oktober 2013 [4] 11 emobilität

12 Themen smobility - Smart Mobility in Thüringen Dipl.-Ing. Alexander Arnoldt Energie NRG Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon alexander.arnoldt@iosb-ast.fraunhofer.de Abb. 1: Gesamtkonzept von smobility. Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg Energie NRG Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST) Fraunhofer IOSB Ilmenau Telefon oliver.warweg@iosb-ast.fraunhofer.de Mit neuen IT-Lösungen die Durchsetzung der Elektromobilität unterstützen, das hat sich das Konsortium des Projektes»Smart Mobility in Thüringen«-»sMobiliTy«vorgenommen. Eine Informations- und Kommunikations- Plattform ermöglicht dabei die Vernetzung von bestehenden technischen Systemen wie Energieversorgungsnetz, Verkehrsinfrastruktur, Fahrzeug und Fahrer. Auf dieser Basis werden intelligente Assistenz- und Servicekonzepte für den Fahrzeugnutzer als auch den Infrastrukturanbieter entwickelt und angeboten. Die Grundidee ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Ziel des Teilprojektes intelligentes Last und Lademanagement»iLLMAN«, geleitet durch den Institutsteil Angewandte Systemtechnik (AST), ist die Konzeption und Umsetzung einer Softwarelösung zur Erprobung, Analyse und Bewertung verschiedener Ansätze der Beeinflussung von Ladevorgängen für Elektrofahrzeuge unter Nutzung der smobility-cloud. Zur Realisierung einer kostengünstigen und zeitnah anwendbaren Lösung im Feldtest erfolgt die Realisierung unter Verwendung der Funkrundsteuertechnik und unter Berücksichtigung aktuell gültiger regulatorischen Vorgaben für die Energiewirtschaft. Im Labor werden die entwickelten Ansätze zur Ladesteuerung mittels deterministischer sowie pobabilistischer Simulationen untersucht. Ausgewählte Ansätze werden im Feldtest praktisch erprobt. Folgende Arbeiten werden dabei durch das AST durchgeführt: emobilität 12

13 Modellierung und Entwicklung der Optimierungsmodelle zur Ermittlung der LADEFAHRpläne für die Fahrzeuge Herausforderung dabei ist die Berücksichtigung der Unsicherheiten bei der Verfügbarkeit der Elektrofahrzeuge. Im Sinne einer direkten Beeinflussung der Ladevorgänge unter Berücksichtigung vorgegebener Restriktionen beispielsweise des Netzbetreibers und gewünschter Ladezustände durch den Kunden müssen die Fahrpläne hoch performant und zeitnah angepasst werden. Zur Anwendung kommt hierbei das im Fraunhofer AST entwickelte System EMS-EDM PROPHET. Weiterentwicklung und EVALUIERUNG von Methoden der lokalen Last- und Einspeiseprognose, speziell die lokale Windleistungs- und PV-Leistungs-Prognose Zur Realisierung der Betriebsführung der EVs unter Berücksichtigung der lokalen Netzrestriktionen sind lokale Prognosen der Einspeisung und des Verbrauchs notwendig. Speziell auf dem Gebiet der lokalen Einspeiseprognose wurde im Rahmen des Projektes ein Ansatz zur Vorhersage der Einspeisung für einzelne Windparks und Solarparks entwickelt. Dieser wird im Projekt erprobt und dient somit der Ermittlung optimaler Ladefahrpläne unter Berücksichtigung der betroffenen Netzabschnitte. Entwicklung, Analyse und BEWERTUNG von ANSÄTZEN zur koordinierten Markt / Netz- Betriebsführung, d. h. die INTEGRATION von Aspekten der Betriebsführung von NIEDERSPANNUNGSNETZEN in den Energiemarkt Über die alternativen Ansätze einer Flexibilitätsvorgabe (Flexibilitätsquote) oder einer direkten Restriktionsvorgabe wurden Prozesse definiert, bei denen ein Netzbetreiber Rahmenbedingungen für das Agieren der Marktteilnehmer definieren kann. In die Rahmenbedingungen fließen die Ergebnisse der lokalen Prognose und Optimierung der Ladefahrpläne der Elektrofahrzeuge ein. Entwicklung einer Fahrzeugsimulationsumgebung auf Basis eines MULTIAGENTENsystems Damit die entwickelten Verfahren anhand einer größeren Anzahl von Fahrzeugen evaluiert werden können, wurde die Agentensimulation (ELVIS) entwickelt, mit der eine größere Anzahl von Elektrofahrzeugen simuliert werden können. Über eine Schnittstelle zum EMS-EDM PROPHET erfolgt die direkte Einbindung in die Betriebsführung. Als Benutzerschnittstelle erfolgt die prototypische Entwicklung einer Lastund Lademanagement-Applikation zur Verwaltung der Elektrofahrzeuge und dem Management der Ladeaufträge. Folgende Ergebnisse wurden bei verschiedenen Konferenzen und Tagungen vorgestellt Optimierungsmodelle zur Ermittlung Optimaler Ladefahrpläne unter Berücksichtigung vorgegebener Restriktionen [1] Optimierungsmodelle zum Anbieten und Erbringung von Systemdienstleistungen mit Elektrofahrzeugen Prototypische Umsetzung einer lokalen Windleistungsprognose [2] Entwicklung zweier alternativer Ansätze zur koordinierten Markt / Netz-Betriebsführung [3] Das Projekt befindet sich aktuell in der Phase der Integrationstests und Demonstratorvorbereitung für den Feldversuch. Im Feldversuch werden bis zu 20 Elektrofahrzeuge in das Last- und Lademanagement integriert. Dabei kommen Fahrzeuge verschiedenen Typs und damit auch verschiedener Anschlussfähigkeit und Ladeleistung zum Einsatz. Zielstellung des Fraunhofer IOSB-AST ist der Aufbau eines gesamtheitlichen Energiesimulationssystems zur Bewertung der Einflüsse der Steuerszenarien auf die Netzführung. Das Konsortium smobility besteht aus 10 Partnern, davon 6 vorwiegend mittelständische Unternehmen (4 davon aus Thüringen, 2 aus Sachsen), 3 Thüringer Forschungseinrichtungen sowie der Landeshauptstadt Erfurt mit einer Kommunalen Einrichtung. Das Konsortium entwickelt seit Oktober 2012 in insgesamt drei Jahren an diesen Themen. Mit seiner Projektidee gewann es 2012 im Technologiewettbewerb»IKT für Elektromobilität II«des Bundeswirtschaftsministeriums und erhielt für die Umsetzung eine Förderzusage in Höhe von 6,5 Millionen Euro bei einem Gesamtumfang von 10 Millionen Euro. Es wird vom BMWi im Rahmen des Programms»IKT für Elektromobilität II«gefördert. Literatur: [1] Arnoldt, A.; Ritter, S.; Warweg, O.:»Predictive Control System for Charging Electric Vehicles based on Radio Ripple Control integrating Renewable Energies, 4 th International Workshop on Integration of Solar into Power Systems, Berlin, Germany, November 2014 [2] Arnoldt, A.:»MAProSy Comparing Analysis Strategies and their Error Influence for Local Wind Power and PV Forecasts«, 13 th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Plants, Berlin, Germany, Nov [3] Warweg, O.; Arnoldt, A.; Jens, E.:»Process approaches for the integration of controllable consumers and producers in the energy market, taking account of the distribution grid«. ISGT Europe. Istanbul, emobilität

14 Infothek Der dafür benötigte Strom stammt aus eigenerzeugter erneuerbarer Energie. Dafür wird eigens am Standort in Lemgo ein Solarcarport installiert. Zur Steuerung der Flotte und der EnergieoptiMales elektro- MobilitätsManageMent Abfahrt die Projektpartner starten EMiLippe. B.Sc. Florian Pethig Anwendungszentrum Industrial Automation (INA) Fraunhofer IOSB Lemgo Telefon Antrieb und Fortschritt mit»grüner Energie«: In Ostwestfalen-Lippe wird in naher Zukunft ein elektromobiler Wirtschaftsverkehr entstehen, der vor allem mit Strom aus regenerativen Energiequellen gespeist wird. An diesem ehrgeizigen Ziel arbeitet das Fraunhofer- Anwendungszentrum Industrial Automation IOSB-INA in Lemgo intensiv im Verbundprojekt.»Elektromobilität in Lippe«(kurz»EMiLippe«). Das Ziel der Bundesregierung, bis 2020 rund 1 Millionen Elektroautos auf Deutschlands Straßen zu haben, kann insbesondere durch eine intensive Beteiligung des ländlichen Raums erreicht werden. Hier ist die Anzahl der Zweitfahrzeuge, aber auch die Anzahl der Firmenflotten am größten. Aus diesem Grund wurde Anfang 2014 das Projekt EMiLippe unter starker Beteiligung des Fraunhofer IOSB-INA sowie dem Institut für industrielle Informationstechnik (init) der Hochschule Ostwestfalen-Lippe ins Leben gerufen. Gemeinsam mit Industriepartnern aus der Region wie der itelligence AG, der Herbert Kannegiesser GmbH, der Phoenix Contact GmbH & Co. KG und der OWITA GmbH entwickeln die Wissenschaftler ein System, das auf Basis von Informations- und Kommunikationstechnologien den Wirtschaftsverkehr zwischen verschiedenen Standorten mit einer reinen Elektrofahrzeugflotte optimiert ANTRIEB DURCH REGENERATIVE ENERGIE emobilität 14

15 Florian Pethig testet erste Lösungen mit dem Elektrofahrzeug des IOSB-INA. flüsse entsteht ein Mobilitäts- und Energiemanagementsystem. Das IOSB- INA führt dazu Forschungsarbeiten im Bereich Energiemanagement durch. Speziell sollen Algorithmen für die intelligente Optimierung regenerativer Energienutzung erforscht werden. Ziel ist es, Informationen über die vorhandene regenerative Energie sowie Mobilitätsdaten zu bündeln. So soll die Mobilität der Mitarbeiter im elektromobilen Wirtschaftsverkehr garantiert und primär eigenerzeugte, erneuerbare Energie genutzt werden. Eine besondere Herausforderung dabei: die Flottenfahrzeuge werden von Mitarbeitern an verschiedenen Standorten gemeinsam genutzt, eine hohe Verfügbarkeit von Elektrofahrzeugen muss jedoch räumlich und zeitlich gewährleistet werden. Hierzu gilt es, die verschiedenen Prozesse zu erfassen und zu optimieren und gleichzeitig die Energie- und Mobilitätsanforderungen der teilnehmenden Systempartner zu bedienen. Dafür besitzt das Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation u. a. umfassendes Know-How in den Bereichen Prozessoptimierung und Connected Devices, welches optimal in das Projekt eingebracht werden kann. Transfer der Ergebnisse Das entwickelte Gesamtsystem wird zunächst in den Bereichen Güter- und Personenverkehr, wie auch bei innerbetrieblichen Transporten oder Dienstreisen mit den Elektrofahrzeugflotten der Industriepartner getestet. Das Mobilitäts- und Energiemanagementsystem für Wirtschaftsverkehre im ländlichen Raum wird nach Abschluss des Projektes auch für andere Unternehmenszusammenschlüsse nutzbar. Erste Ergebnisse sollen schon 2015 zur Verfügung stehen. B.A. Carolin Schönknecht Presse und Öffentlichkeitsarbeit Anwendungszentrum Industrial Automation (INA) Fraunhofer IOSB Lemgo Telefon emobilität 15 emobilität

16 Karlsruhe Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Fraunhoferstraße Karlsruhe Telefon Fax info@iosb.fraunhofer.de Ettlingen Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Gutleuthausstr Ettlingen Telefon Fax Ilmenau Fraunhofer IOSB, Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST Am Vogelherd Ilmenau Telefon Fax info@iosb-ast.fraunhofer.de Lemgo Fraunhofer IOSB-INA Anwendungszentrum Industrial Automation Langenbruch Lemgo Telefon Fax juergen.jasperneite@iosb-ina.fraunhofer.de Beijing Representative for Production and Information Technologies Unit 0610, Landmark Tower II 8 North Dongsanhuan Road Chaoyang District Beijing, PR China Telefon Fax muh@fraunhofer.com.cn